JP5445775B2 - Ultra-high resolution terahertz spectrometer - Google Patents
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Description
本技術は、テラヘルツ電磁波パルス(以下、テラヘルツ・パルスと称する)を用いたテラヘルツ分光計測技術に関するものであり、周波数領域上のテラヘルツ離散マルチスペクトルを周波数走査することにより、レーザーモード同期周波数を上回る超高分解能で分光計測する技術に関するものである。 The present technology relates to terahertz spectroscopy measurement technology using terahertz electromagnetic wave pulses (hereinafter referred to as terahertz pulses). The present invention relates to a technique for spectroscopic measurement with high resolution.
近年、テラヘルツ領域においてビタミン・糖・医薬品・農薬・禁止薬物・プラスッチク爆弾・ガン組織を始めとした様々な物質が固有の吸収スペクトル(指紋スペクトル)を示すことが明らかになり、このテラヘルツ指紋スペクトルを利用したテラヘルツ分光法が新しい分析手段として注目されている。また、テラヘルツ領域は、大気中の様々な気体分子(酸素、水蒸気、オゾン、一酸化炭素、水素関連分子、窒素関連分子、塩素関連分子、硫黄関連分子など)や揮発性有機化合物(VOC;トルエン、キシレン、酢酸エチルなど)などの吸収線スペクトルが現れる領域でもあり、大気環境分析手段としても期待されている。これらの分析において、十分な物質識別能力を発揮するためには極めて高いスペクトル確度とスペクトル分解能が必要になるが、従来の機械式時間遅延走査に基づいたテラヘルツ時間領域分光法(以下、THz−TDS法と称する)を用いる計測装置では十分とは言えなかった。かかる状況下、極めて高いスペクトル確度とスペクトル分解能が実現でき、テラヘルツ指紋スペクトルに基づいた物質識別能力が大幅に向上できる計測技術が要望されている。 In recent years, it has become clear that various substances such as vitamins, sugars, pharmaceuticals, pesticides, prohibited drugs, plastic bombs, and cancer tissues show unique absorption spectra (fingerprint spectra) in the terahertz region. The terahertz spectroscopy used has attracted attention as a new analytical tool. The terahertz region includes various gas molecules in the atmosphere (oxygen, water vapor, ozone, carbon monoxide, hydrogen-related molecules, nitrogen-related molecules, chlorine-related molecules, sulfur-related molecules, etc.) and volatile organic compounds (VOC; toluene). , Xylene, ethyl acetate, etc.) and the like, and is expected to serve as an atmospheric environment analysis means. In these analyzes, extremely high spectral accuracy and spectral resolution are required in order to exhibit sufficient substance discrimination ability, but terahertz time domain spectroscopy (hereinafter referred to as THz-TDS) based on conventional mechanical time delay scanning. The measuring device using the method is not sufficient. Under such circumstances, there is a demand for a measurement technique that can realize extremely high spectral accuracy and spectral resolution and can greatly improve the substance identification ability based on the terahertz fingerprint spectrum.
従来の機械式時間遅延走査に基づいたTHz−TDS法を用いる計測装置では、図1に示すように、1台のフェムト秒レーザー光をポンプ光(テラヘルツ・パルス発生)とプローブパルス光(テラヘルツ・パルス検出)の両方に用いる構成をとるため、両者は常に同期している。従って、THz−TDS法では、光路長走査用の機械式ステージによって時間遅延走査を行い、両パルスがテラヘルツ検出器で重なる時間タイミングを順次ずらしながら、相互相関測定を行い(ポンプ・プローブ法)、最終的にテラヘルツ電場の時間波形を再現する。 In a conventional measuring apparatus using the THz-TDS method based on mechanical time delay scanning, as shown in FIG. 1, a single femtosecond laser beam is converted into pump light (terahertz pulse generation) and probe pulse light (terahertz pulse). Since both are used for both (pulse detection), they are always synchronized. Therefore, in the THz-TDS method, time delay scanning is performed by a mechanical stage for optical path length scanning, cross-correlation measurement is performed while sequentially shifting the time timing at which both pulses are overlapped by the terahertz detector (pump / probe method), Finally, the time waveform of the terahertz electric field is reproduced.
図2は、機械式ステージの移動によって2回の時間遅延走査を行い、3点を測定してテラヘルツ波形の再構築をしている様子を示している。
また、THz−TDS法では、測定されたテラヘルツ電場の時間波形をコンピューターでフーリエ変換することにより得られる振幅(または位相)の周波数スペクトルを用いて分光計測を行っている。
FIG. 2 shows a state in which terahertz waveforms are reconstructed by performing two time-delayed scans by moving the mechanical stage and measuring three points.
In the THz-TDS method, spectroscopic measurement is performed using a frequency spectrum of an amplitude (or phase) obtained by Fourier transforming a measured time waveform of a terahertz electric field with a computer.
図3に、測定されたテラヘルツ電場の時間波形からコンピューターでフーリエ変換することにより得られるテラヘルツ電場の振幅の周波数スペクトルを示す。ここで、測定されたテラヘルツ電場の時間波形において、測定時間窓をTとすると、テラヘルツ振幅スペクトルの周波数分解能は1/Tで表される。 FIG. 3 shows a frequency spectrum of the amplitude of the terahertz electric field obtained by performing Fourier transform with a computer from the measured time waveform of the terahertz electric field. Here, in the measured time waveform of the terahertz electric field, if the measurement time window is T, the frequency resolution of the terahertz amplitude spectrum is represented by 1 / T.
つまり、周波数分解能は、テラヘルツ電場時間波形の測定時間窓T(時間遅延走査量)によって決まり、機械式ステージの移動ストローク長(L=cT/2;cは光速(= 3×108 m/s),Tは測定時間窓)によって制限されることになる。一方、周波数レンジは時間遅延量送りのステップ時間間隔tの逆数(1/t)によって与えられる。 That is, the frequency resolution is determined by the measurement time window T (time delay scanning amount) of the terahertz electric field time waveform, and the moving stroke length of the mechanical stage (L = cT / 2; c is the speed of light (= 3 × 10 8 m / s). ), T is limited by the measurement time window). On the other hand, the frequency range is given by the reciprocal (1 / t) of the step time interval t for sending the time delay amount.
このため、従来の機械式時間遅延走査に基づいたTHz−TDS法は、機械式ステージの利用に起因するスペクトル分解能向上と測定時間短縮のトレードオフのため(高いスペクトル分解能を得るためには長いステージ移動が必要になり、結果的に測定時間が長くなる)、高分解能測定と高速スループット能力の両立には限界があるといった問題があった。例えば、測定時間5分の場合のスペクトル分解能は30GHz程度である。 For this reason, the THz-TDS method based on the conventional mechanical time delay scanning is a trade-off between improving the spectral resolution and shortening the measurement time due to the use of the mechanical stage (in order to obtain a high spectral resolution, a long stage). As a result, there is a problem in that there is a limit to the compatibility between high-resolution measurement and high-speed throughput capability. For example, the spectral resolution when the measurement time is 5 minutes is about 30 GHz.
また、機械式ステージの移動量を基準に周波数スペクトルの目盛り付けを行うため、達成可能なスペクトル確度とスペクトル分解能に限界があるといった問題があった。例えば、THz−TDS法で用いられる機械式ステージの位置決め精度は概して低く、スペクトル確度として10−3程度しか得られない。 Further, since the frequency spectrum is calibrated based on the movement amount of the mechanical stage, there is a problem that there is a limit to the achievable spectrum accuracy and spectrum resolution. For example, the positioning accuracy of the mechanical stage used in the THz-TDS method is generally low, and only about 10 −3 is obtained as the spectral accuracy.
かかる従来の機械式時間遅延走査に基づいたTHz−TDS法の問題に鑑みて、本発明者らは、テラヘルツ・スペクトルを最大でモード同期周波数に等しいスペクトル分解能で高速に分光測定できるように、機械式時間遅延走査を省略した非同期光サンプリング式THz−TDSを既に提案した(特許文献1)。
提案した非同期光サンプリング式テラヘルツ分光計測装置は、図4に示すように、レーザーパルスの繰り返し周波数(モード同期周波数)がわずかに異なるフェムト秒レーザー1(モード同期周波数=f1)とフェムト秒レーザー2(モード同期周波数=f2)の各々のモード同期周波数が高度に安定化され、かつ、モード同期周波数の差(=f2−f1)がある値で一定になるように、双方のレーザーのモード同期周波数の制御を行うものである。そして、両レーザー光をテラヘルツ・パルス発生用ポンプ光とプローブパルス光の各々に用い、また両レーザー光の一部をそれぞれ抽出してトリガー信号を発生させるものである。
In view of the problem of the THz-TDS method based on such a conventional mechanical time delay scanning, the present inventors have made it possible to perform a spectroscopic measurement of a terahertz spectrum at a high speed with a spectral resolution equal to the mode-locking frequency at the maximum. Asynchronous optical sampling type THz-TDS in which the time delay scanning is omitted has already been proposed (Patent Document 1).
As shown in FIG. 4, the proposed asynchronous optical sampling terahertz spectrometer has a femtosecond laser 1 (mode synchronization frequency = f 1 ) and a femtosecond laser 2 with slightly different repetition frequencies (mode synchronization frequencies) of laser pulses. Each mode synchronization frequency of (mode synchronization frequency = f 2 ) is highly stabilized and the difference between the mode synchronization frequencies (= f 2 −f 1 ) is constant at a certain value. Controls the mode synchronization frequency. Both laser beams are used for terahertz pulse generation pump light and probe pulse light, respectively, and a part of both laser beams is extracted to generate a trigger signal.
図5に、提案した非同期光サンプリング式テラヘルツ分光計測装置において、テラヘルツ電場時間波形を再現する様子を表した模式図を示す。発生させたテラヘルツ・パルスとプローブパルス光の各々のパルス周期はわずかに異なるため(テラヘルツ・パルス周期を1/f1,プローブパルス周期を1/f2,パルス毎にずれる時間間隔SI=1/f2−1/f1)、テラヘルツ・パルスとプローブパルス光の重なるタイミングはパルス毎に自動的にずれていく。
テラヘルツ・パルスとプローブパルス光が重なった状態(図5中の(a)参照)から、重なるタイミングがパルス毎に自動的にずれ、再び重なった状態(図5中の(b)参照)になるまでに要する時間(サンプリング時間ST)によって、パルス周期相当の時間遅延走査が1回なされることになる。トリガー信号は、テラヘルツ・パルスとプローブパルス光が重なる毎(図5中の(a)及び(b))に時間原点信号を発生する。これを時間原点信号として利用する。
FIG. 5 is a schematic diagram showing how the terahertz electric field time waveform is reproduced in the proposed asynchronous light sampling terahertz spectrometer. Since the pulse periods of the generated terahertz pulse and the probe pulse light are slightly different (the terahertz pulse period is 1 / f 1 , the probe pulse period is 1 / f 2 , and the time interval SI is shifted to each pulse SI = 1 / f 2 -1 / f 1 ), the timing at which the terahertz pulse and the probe pulse light overlap is automatically shifted for each pulse.
From the state in which the terahertz pulse and the probe pulse light overlap (see (a) in FIG. 5), the overlapping timing is automatically shifted for each pulse, and the state overlaps again (see (b) in FIG. 5). The time delay scanning corresponding to the pulse period is performed once by the time required until the time (sampling time ST). The trigger signal generates a time origin signal every time the terahertz pulse and probe pulse light overlap ((a) and (b) in FIG. 5). This is used as a time origin signal.
このようにして得られたテラヘルツ・パルスの信号波形は非同期光サンプリング法の原理に基づき、時間的に拡大されて観測される。観測されたテラヘルツ・パルスの信号波形を時間軸スケール拡大率で変換することにより、実際の時間スケールのテラヘルツ・パルスの電場時間波形を再現することが可能になる。スケール変換された電場時間波形をフーリエ変換することにより、振幅及び位相の周波数スペクトルを得ることができる。この場合の周波数分解能は、サンプリング時間STに依存せず常にパルス周期に等しい時間遅延走査が行われるので、最大でモード同期周波数に等しいスペクトル分解能が実現できることになる。その結果、時間遅延走査のための機械式ステージが省略でき、スペクトル分解能向上と測定迅速化が同時に実現できるものである。 The signal waveform of the terahertz pulse obtained in this way is observed with time expansion based on the principle of the asynchronous optical sampling method. By converting the signal waveform of the observed terahertz pulse at the time axis scale expansion rate, it becomes possible to reproduce the electric field time waveform of the terahertz pulse of the actual time scale. A frequency spectrum of amplitude and phase can be obtained by Fourier transforming the scaled electric field time waveform. In this case, the frequency resolution does not depend on the sampling time ST, and time-delayed scanning that is always equal to the pulse period is performed, so that it is possible to realize a spectral resolution that is equal to the mode synchronization frequency at the maximum. As a result, a mechanical stage for time delay scanning can be omitted, and improvement in spectral resolution and measurement speed can be realized at the same time.
図6及び図7は、提案した非同期光サンプリング式テラヘルツ分光計測装置によって得られた電場時間波形(測定時間200ミリ秒)とそれをフーリエ変換することによって取得されたパワースペクトル波形を示している。短い測定時間にも関わらず良好な測定SN比でスペクトル波形が取得できている。 6 and 7 show the electric field time waveform (measurement time 200 milliseconds) obtained by the proposed asynchronous optical sampling terahertz spectrometer and the power spectrum waveform obtained by Fourier transforming the waveform. Spectral waveforms can be acquired with a good measurement signal-to-noise ratio despite a short measurement time.
提案した非同期光サンプリング式テラヘルツ分光計測装置では、周波数標準器(例えば、ルビジウム原子時計)に位相同期されたモード同期周波数及びモード同期周波数差を基準に、機械的走査機構を利用することなく、テラヘルツ分光測定を行い、スペクトル目盛りのスケーリングはモード同期周波数とモード同期周波数差の比を用いて行う。周波数は最も安定した標準器が整備された物理量であるので、これを基準信号として超精密レーザー制御することにより、周波数標準器に直接トレーサブルな超精密分光法の実現が可能となる。また、機械的走査機構の省略によりスペクトル分解能向上と測定時間短縮のトレードオフが解消され、従来のTHz−TDS法を大幅に上回るスペクトル分解能を高速測定で実現できる。 In the proposed asynchronous optical sampling terahertz spectrometer, the terahertz without using a mechanical scanning mechanism based on the mode synchronization frequency and the mode synchronization frequency difference phase-synchronized with a frequency standard (for example, rubidium atomic clock). Spectral measurement is performed, and the spectral scale is scaled using the ratio of the mode synchronization frequency and the mode synchronization frequency difference. Since the frequency is a physical quantity for which the most stable standard device has been prepared, it is possible to realize ultra-precision spectroscopy that is directly traceable to the frequency standard device by controlling this with the ultra-precision laser as a reference signal. In addition, the omission of the mechanical scanning mechanism eliminates the trade-off between improving the spectral resolution and shortening the measurement time, and can realize a spectral resolution significantly higher than that of the conventional THz-TDS method by high-speed measurement.
しかしながら、上記の提案したテラヘルツ分光計測装置では、応用分野によってはまだスペクトル分解能が不十分である。これは、上記の提案したテラヘルツ分光計測装置の場合、図8に示すように、単一パルスの電場時間波形しか取得していないことから、フーリエ変換によって得られる振幅スペクトルは連続したスペクトルとなり、スペクトル波形の分解能(データプロット間隔)が不十分であった。これは、従来の機械式時間遅延走査を用いたTHz-TDSでも同様である。
本発明は、上記に鑑みて、スペクトル分解能の更なる向上を図ることができるテラヘルツ分光計測装置を提供することを目的とする。
However, the proposed terahertz spectroscopic measurement apparatus still has insufficient spectral resolution depending on the application field. In the case of the proposed terahertz spectrometer, as shown in FIG. 8, since only a single pulse electric field time waveform is acquired, the amplitude spectrum obtained by Fourier transform becomes a continuous spectrum. The waveform resolution (data plot interval) was insufficient. The same applies to THz-TDS using conventional mechanical time delay scanning.
In view of the above, an object of the present invention is to provide a terahertz spectroscopic measurement apparatus capable of further improving spectral resolution.
上記課題を達成すべく、本発明のテラヘルツ分光計測装置は、レーザーパルスの繰り返し周波数(モード同期周波数)がわずかに異なる2台のフェムト秒レーザー手段と、2台のフェムト秒レーザー手段の各々のモード同期周波数が安定化され、かつ、モード同期周波数の差が所定の一定値を保持するように2台のフェムト秒レーザー手段を制御するモード同期周波数制御手段と、一方のフェムト秒レーザーの出力光を励起光として用い、光伝導アンテナ若しくは非線形光学結晶を用いて、テラヘルツ電磁波パルスを放射するテラヘルツ波放射手段と、テラヘルツ波放射手段から放射されたテラヘルツ電磁波パルスを測定用試料に照射し、測定用試料で影響を受けたテラヘルツ電磁波パルスを導くためのテラヘルツ波光学系手段と、他方のフェムト秒レーザーの出力光をプローブパルス光として用い、テラヘルツ電磁波パルスとプローブパルス光とを入射し、光伝導アンテナ若しくは電気光学サンプリング法を用いて、テラヘルツ電磁波パルスの電場時間波形を検出するテラヘルツ波検出手段と、2台のフェムト秒レーザー手段の出力光の一部を抜き出し、時間原点信号を生成するトリガー信号生成手段と、テラヘルツ波検出手段から出力される微弱電気信号を増幅し、時間原点信号に同期してテラヘルツ電磁波パルスの信号波形を検出することにより信号波形を測定する信号波形測定手段と、を備える既に提案した非同期光サンプリング式テラヘルツ分光計測装置において、
a)上記の信号波形測定手段が、単一のテラヘルツ電磁波パルスではなく、複数の連続したテラヘルツ電磁波パルス(テラヘルツ電磁波パルス列)の電場時間波形を取得し、その電場時間波形を周波数領域にフーリエ変換することにより、モード同期周波数の基本波成分と多数の高調波成分からなる周波数モード列が等間隔に並ぶテラヘルツ離散マルチスペクトルを取得するスペクトル取得手段と、
b)上記の2台のフェムト秒レーザー手段の各々のモード同期周波数を、モード同期周波数の差が所定の一定値を保持したままシフトさせるモード同期周波数チューニング制御手段と、
c)上記のモード同期周波数チューニング制御手段により周波数モード列の間隙を補完するようにテラヘルツ離散マルチスペクトルをシフトさせた場合の各々のテラヘルツ離散マルチスペクトルを記憶する記憶手段と、
d)上記の記憶手段に記憶されている各テラヘルツ離散マルチスペクトルを合成し超微細テラヘルツ・スペクトルを生成する手段と、
を備えた構成とされる。
In order to achieve the above object, the terahertz spectrometer of the present invention includes two femtosecond laser units having slightly different repetition frequencies (mode synchronization frequencies) of laser pulses, and modes of the two femtosecond laser units. The mode-synchronized frequency control means for controlling the two femtosecond laser means so that the synchronization frequency is stabilized and the difference between the mode-synchronized frequencies maintains a predetermined constant value, and the output light of one femtosecond laser A terahertz wave radiating means that emits terahertz electromagnetic wave pulses using a photoconductive antenna or a nonlinear optical crystal, and a measurement sample by irradiating the terahertz electromagnetic wave pulses emitted from the terahertz wave radiating means to the measurement sample. Terahertz wave optical means for guiding the terahertz electromagnetic wave pulse affected by the Terahertz wave detection using terahertz electromagnetic wave pulse and probe pulse light as input probe light, and detecting electric field time waveform of terahertz electromagnetic wave pulse using photoconductive antenna or electro-optic sampling method And a part of the output light of the two femtosecond laser means, a trigger signal generating means for generating a time origin signal, and a weak electric signal output from the terahertz wave detecting means are amplified to obtain a time origin signal. In the previously proposed asynchronous optical sampling type terahertz spectroscopic measurement apparatus, comprising a signal waveform measuring means for measuring a signal waveform by detecting a signal waveform of a terahertz electromagnetic wave pulse in synchronization,
a) The signal waveform measuring means obtains an electric field time waveform of a plurality of continuous terahertz electromagnetic wave pulses (a terahertz electromagnetic wave pulse train) instead of a single terahertz electromagnetic wave pulse, and Fourier-transforms the electric field time waveform into the frequency domain. Spectrum acquisition means for acquiring a terahertz discrete multispectrum in which a frequency mode sequence composed of a fundamental wave component of a mode-locked frequency and a number of harmonic components is arranged at equal intervals;
b) mode-synchronized frequency tuning control means for shifting the mode-synchronized frequency of each of the two femtosecond laser means while maintaining a predetermined constant value of the mode-synchronized frequency difference;
c) storage means for storing each terahertz discrete multispectrum when the terahertz discrete multispectrum is shifted so as to complement the gap of the frequency mode sequence by the mode-locked frequency tuning control means;
d) means for synthesizing each terahertz discrete multispectrum stored in the storage means to generate an ultrafine terahertz spectrum;
It is set as the structure provided with.
かかる構成によれば、上記の非同期光サンプリング式テラヘルツ分光計測装置において、スペクトル分解能の更なる向上を図ることができる。 According to this configuration, it is possible to further improve the spectral resolution in the asynchronous light sampling terahertz spectrometer.
上記の非同期光サンプリング式テラヘルツ分光装置では、図8に示すように、パルス周期内の任意の測定時間窓で単一のテラヘルツ・パルスの電場時間波形を取得し、これをフーリエ変換することにより、振幅(あるいは位相)の周波数スペクトルを得る。この場合のスペクトルは、単一現象のフーリエ変換なのでスペクトルは連続スペクトルとなり、データプロット間隔(スペクトル分解能)は測定時間窓の逆数となる。 In the above asynchronous optical sampling terahertz spectrometer, as shown in FIG. 8, an electric field time waveform of a single terahertz pulse is obtained in an arbitrary measurement time window within the pulse period, and this is subjected to Fourier transform. Obtain the frequency spectrum of amplitude (or phase). Since the spectrum in this case is a single phenomenon Fourier transform, the spectrum is a continuous spectrum, and the data plot interval (spectral resolution) is the reciprocal of the measurement time window.
一方、測定時間窓をパルス周期よりも大きく拡大すると、図9に示すように複数のテラヘルツ・パルスから構成されるテラヘルツ・パルス列の電場時間波形を取得することができる。このような繰り返し現象の時間波形をフーリエ変換すると、多数の周波数モード列がモード同期周波数(パルス繰り返し周波数)間隔で規則的に並んだスペクトル波形が得られる。このように、モード同期周波数の基本波成分と多数の高調波成分が等間隔で櫛の歯(コム)状に立ち並んだテラヘルツ帯離散マルチスペクトル構造をテラヘルツ・コムという。テラヘルツ・コムは多数の周波数モード列がモード同期周波数間隔で立ち並んだ離散マルチスペクトル構造をとるため、これを分光計測に用いた場合のスペクトル分解能はコム間隔であるモード同期周波数となる。一方、各周波数モード(以下、コム・モードという。)のスペクトル線幅はコム間隔よりも更に狭い。
また、テラヘルツ・コムの各モード成分ピークの包絡波(エンベロープ)は、図8のスペクトルと同様なスペクトル波形を示すが、そのデータプロット(コム・モード)間隔はモード同期周波数となる。一方、コム・モードの線幅は、図9のテラヘルツ・パルス列時間波形の測定時間窓の逆数となり、コム・モード間隔よりも大幅に狭い。
On the other hand, when the measurement time window is enlarged larger than the pulse period, an electric field time waveform of a terahertz pulse train composed of a plurality of terahertz pulses can be obtained as shown in FIG. When a time waveform of such a repetitive phenomenon is Fourier-transformed, a spectrum waveform in which a large number of frequency mode sequences are regularly arranged at intervals of a mode synchronization frequency (pulse repetition frequency) is obtained. The terahertz band discrete multispectral structure in which the fundamental wave component of the mode-locked frequency and the many harmonic components are arranged in a comb-like shape at equal intervals in this way is called a terahertz comb. Since the terahertz comb has a discrete multispectral structure in which a large number of frequency mode sequences are arranged at mode-locked frequency intervals, the spectral resolution when this is used for spectroscopic measurement is a mode-locked frequency that is the comb interval. On the other hand, the spectral line width of each frequency mode (hereinafter referred to as comb mode) is further narrower than the comb interval.
Further, the envelope wave (envelope) of each mode component peak of the terahertz comb shows a spectrum waveform similar to the spectrum of FIG. 8, but the data plot (comb mode) interval is a mode synchronization frequency. On the other hand, the line width of the comb mode is the reciprocal of the measurement time window of the terahertz pulse train time waveform of FIG. 9, and is significantly narrower than the comb mode interval.
テラヘルツ・コムは、広い周波数選択性,非常に高いスペクトル純度,直接的絶対周波数校正,周波数逓倍機能,単純性といった特徴を有していることから、これを高度に安定化し絶対周波数の目盛りとして利用すれば、極めて高いスペクトル分解能と確度を有するテラヘルツ分光計測が可能になる。この場合、テラヘルツ・コムの各モードは離散的に分布しているので、スペクトル分解能はコム間隔であるモード同期周波数となる。 Terahertz Com has features such as wide frequency selectivity, very high spectral purity, direct absolute frequency calibration, frequency multiplication function, and simplicity, so it is highly stabilized and used as an absolute frequency scale. Then, terahertz spectroscopic measurement with extremely high spectral resolution and accuracy becomes possible. In this case, since each mode of the terahertz comb is discretely distributed, the spectral resolution is a mode synchronization frequency which is a comb interval.
一方、図10に示すように、テラヘルツ・コムの間隙(コム・モード間の周波数領域)を補間するようにコム・モードを高精度に横ずらししながら分光計測することができれば、スペクトル分解能のさらなら向上が可能になる。コム・モードの周波数は、2台のレーザーのモード同期周波数差(f2−f1)を一定に保ちながらそれぞれのモード同期周波数(f1,f2)を変化させることにより、走査可能である。この場合のコム・モードの横ずらし量(周波数シフト)はf1(またはf2)の周波数変化量とコム・モードの次数の積となる。 On the other hand, as shown in FIG. 10, if spectral measurement can be carried out while laterally shifting the comb mode so as to interpolate the terahertz comb gap (frequency region between the comb modes), the spectral resolution can be further improved. Can be improved. The frequency of the comb mode can be scanned by changing the mode synchronization frequency (f 1 , f 2 ) while keeping the mode synchronization frequency difference (f 2 −f 1 ) of the two lasers constant. . In this case, the lateral shift amount (frequency shift) of the comb mode is the product of the frequency change amount of f 1 (or f 2 ) and the order of the comb mode.
すなわち、テラヘルツ・コムの間隙を補間するようにコム・モードを線幅間隔で逐次周波数シフトさせながら、各コム・モード位置でのテラヘルツ・コム・スペクトルを計測し、最終的に合成することにより、コム・モード線幅の間隔でプロットされた超微細テラヘルツ・スペクトルを得ることが可能になる。これは、狭線幅CW(連続発振)テラヘルツ波の周波数を連続走査することと等価であるので、この場合のスペクトル分解能は、コム・モードの線幅となる。また、図9の測定時間窓を拡大することにより更なる狭窄化も可能である。 That is, by sequentially shifting the frequency of the comb mode at line width intervals so as to interpolate the gap of the terahertz comb, the terahertz comb spectrum at each comb mode position is measured, and finally synthesized, It becomes possible to obtain an ultrafine terahertz spectrum plotted at intervals of the comb mode line width. This is equivalent to continuous scanning of the frequency of a narrow line width CW (continuous oscillation) terahertz wave, so the spectral resolution in this case is the line width of the comb mode. Furthermore, further narrowing can be achieved by enlarging the measurement time window of FIG.
本発明のテラヘルツ分光計測装置は、テラヘルツ・コムの観測及びコム・モードの線幅狭窄化と共に、コム・モードの周波数を高精度に少しずつ横ずらししながら、離散分布しているテラヘルツ・コムの間隙を補間して、コム・モードの線幅間隔で信号分布している超微細テラヘルツ・スペクトルを得る。
上記a)のスペクトル取得手段により、テラヘルツ・コムの観測及びコム・モードの線幅狭窄化を図ることができる。また、上記b)のモード同期周波数チューニング制御手段により、コム・モードを高精度に少しずつ横ずらしする。上記c)およびd)により、テラヘルツ・コムの間隙を補間するよう多段階にシフトさせた場合の各々のテラヘルツ・コムを合成して、コム・モードの線幅間隔で信号分布している超微細テラヘルツ・スペクトルを得るのである。
このようにして、コム・モードの線幅に等しいスペクトル分解能を有しながら、ブロードバンドなテラヘルツ領域をフルカバーできるテラヘルツ分光計測が実現可能になる。
The terahertz spectroscopic measurement apparatus according to the present invention has a discrete distribution of terahertz combs while observing terahertz combs and narrowing the line width of the comb mode and shifting the frequency of the comb mode little by little with high accuracy. Interpolate the gap to obtain a hyperfine terahertz spectrum with signal distribution in the comb mode linewidth interval.
The spectrum acquisition means (a) can observe terahertz combs and narrow the line width of the comb mode. In addition, the comb mode is shifted little by little with high accuracy by the mode synchronous frequency tuning control means of b). According to the above-mentioned c) and d), each terahertz comb when it is shifted in multiple stages so as to interpolate the gap of the terahertz comb is synthesized, and the signal is distributed at the line width interval of the comb mode. A terahertz spectrum is obtained.
In this manner, terahertz spectroscopic measurement capable of fully covering a broadband terahertz region while having a spectral resolution equal to the line width of the comb mode can be realized.
本発明のテラヘルツ分光計測装置の上記b)モード同期周波数チューニング制御手段において、モード同期周波数のシフト量は、コム・モードの横ずらし量がコム・モード線幅と等しくなるように、測定テラヘルツ周波数帯とモード同期周波数から決定されるコム・モードの次数を考慮して、調整することが好ましい。
これにより、コム・モードの線幅に等しいスペクトル分解能を得ることができる。
In the b) mode-locked frequency tuning control means of the terahertz spectroscopic measurement apparatus of the present invention, the shift amount of the mode-locked frequency is a measured terahertz frequency band so that the shift amount of the comb mode is equal to the comb mode line width. It is preferable to adjust in consideration of the order of the comb mode determined from the mode synchronization frequency.
Thereby, a spectral resolution equal to the line width of the comb mode can be obtained.
また、本発明のテラヘルツ分光計測装置の2台のフェムト秒レーザー手段は、ファイバーレーザー、チタンサファイアレーザー、若しくは、ネオジウム・ガラスレーザーを用いることが好ましい。
これにより、高品質なコム・モードを高精度に少しずつ横ずらししながらテラヘルツ・コムの間隙を補間することができる。
The two femtosecond laser means of the terahertz spectrometer of the present invention are preferably a fiber laser, a titanium sapphire laser, or a neodymium glass laser.
Thereby, the gap of the terahertz comb can be interpolated while gradually shifting the high-quality comb mode little by little with high accuracy.
また、本発明のテラヘルツ分光計測装置の信号波形測定手段において、テラヘルツ電磁波パルス列は、5〜10000周期のテラヘルツ電磁波パルスの信号波形を同時に取得することが好ましい。
これにより、テラヘルツ・コムの観測およびコム・モード線幅の狭窄化を図ることができる。周期が多くなればなるほど、より狭窄化を図ることができる。その場合、記憶手段となるメモリ容量が膨大になるといったトレードオフが存在する。
Moreover, in the signal waveform measuring means of the terahertz spectrometer of the present invention, it is preferable that the terahertz electromagnetic wave pulse train simultaneously acquires the signal waveform of the terahertz electromagnetic wave pulse of 5 to 10,000 cycles.
This makes it possible to observe the terahertz comb and narrow the comb mode line width. As the period increases, the narrowing can be achieved. In that case, there is a trade-off that the memory capacity as the storage means becomes enormous.
また、本発明のテラヘルツ分光計測装置において、
(e)信号波形測定手段から出力される時間波形信号の時間軸スケール変換を行い、それをフーリエ変換することによって得られるフーリエスペクトル(振幅と位相の周波数スペクトル)から測定用試料の周波数分析情報を求める信号解析手段を更に備えることが好ましい。
これにより、物質固有の吸収スペクトル(指紋スペクトル)に基づいた物質識別を行うことができる。
In the terahertz spectrometer of the present invention,
(E) Perform time axis scale conversion of the time waveform signal output from the signal waveform measurement means, and perform frequency analysis information of the measurement sample from the Fourier spectrum (amplitude and phase frequency spectrum) obtained by performing Fourier transform on the time axis signal. It is preferable to further include a signal analysis means to obtain.
Thereby, substance identification based on the absorption spectrum (fingerprint spectrum) peculiar to a substance can be performed.
また、本発明のテラヘルツ分光計測装置において、2台のフェムト秒レーザー手段を制御する上記のモード同期周波数チューニング制御手段は、好ましくは、各レーザーのモード同期周波数を独立して制御する。あるいは、一方のレーザーはモード同期周波数を制御し、他方のレーザーは両レーザーの差周波を一定に制御することでもよい。
また、一方のレーザーのモード同期周波数を連続的に高速走査しながら、他方のレーザーは両レーザーの差周波を一定に制御することでも構わない。この場合、モード同期周波数を連続的に高速走査するレーザーは、安定化されていないことから、好ましくは、モード同期周波数を周波数カウンターでモニタリングする。
In the terahertz spectrometer of the present invention, the mode-locked frequency tuning control means for controlling the two femtosecond laser means preferably controls the mode-locked frequency of each laser independently. Alternatively, one laser may control the mode-locking frequency, and the other laser may control the difference frequency between the two lasers to be constant.
Further, while the mode-locked frequency of one laser is continuously scanned at a high speed, the other laser may control the difference frequency between the two lasers to be constant. In this case, since the laser that continuously scans the mode locking frequency at a high speed is not stabilized, the mode locking frequency is preferably monitored by a frequency counter.
本発明によれば、スペクトル分解能の更なる向上を図ることができる。また、本発明によれば、物質固有の吸収スペクトル(指紋スペクトル)に基づいた物質識別感度の向上を図ることができる。さらに、本発明によれば、テラヘルツ帯の周波数標準計量として利用できる効果を有する。 According to the present invention, it is possible to further improve the spectral resolution. Further, according to the present invention, it is possible to improve the substance identification sensitivity based on the absorption spectrum (fingerprint spectrum) unique to the substance. Furthermore, according to the present invention, there is an effect that can be used as a frequency standard metric in the terahertz band.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many changes and modifications can be made.
本発明のテラヘルツ分光計測装置の構成図を図11に示す。フェムト秒レーザー1(モード同期周波数=f1)とフェムト秒レーザー2(モード同期周波数=f2)の各々のモード同期周波数が一定値あるいはチューニングされ、かつモード同期周波数の差(=f2−f1)が一定値となるように、双方のレーザーのモード同期周波数の安定化制御を独立に行う。あるいは、図12に示すように、フェムト秒レーザー1のモード同期周波数(f1)が一定値あるいはチューニングされる一方で、両レーザーのモード同期周波数差が一定となるようにフェムト秒レーザー2のモード同期周波数(f2)を安定化制御してもよい。あるいは、図13に示すように、フェムト秒レーザー1のモード同期周波数(f1)が高速チューニングされる一方で、両レーザーのモード同期周波数差が一定となるようにフェムト秒レーザー2のモード同期周波数(f2)を安定化制御してもよい。この場合、f1は安定化されていないので、モード同期周波数を周波数カウンターでモニタリングする必要がある。 FIG. 11 shows a configuration diagram of the terahertz spectrometer of the present invention. The mode synchronization frequencies of the femtosecond laser 1 (mode synchronization frequency = f 1 ) and the femtosecond laser 2 (mode synchronization frequency = f 2 ) are constant or tuned, and the difference between the mode synchronization frequencies (= f 2 −f 1 ) Stabilization control of the mode-locked frequency of both lasers is performed independently so that 1 ) becomes a constant value. Alternatively, as shown in FIG. 12, the mode locking frequency (f 1 ) of the femtosecond laser 1 is constant or tuned while the mode locking frequency difference between the two lasers is constant. The synchronization frequency (f 2 ) may be controlled to be stabilized. Alternatively, as shown in FIG. 13, the mode locking frequency (f 1 ) of the femtosecond laser 1 is tuned at high speed, while the mode locking frequency of the femtosecond laser 2 is constant so that the difference between the mode locking frequencies of both lasers is constant. (F 2 ) may be subjected to stabilization control. In this case, since f 1 is not stabilized, it is necessary to monitor the mode locking frequency in a frequency counter.
そして、フェムト秒レーザー1をポンプ光とし、フェムト秒レーザー2をプローブパルス光とする。フェムト秒レーザー1から照射されたポンプ光は、テラヘルツ発生素子を通過してテラヘルツ・パルスとなる。また、フェムト秒レーザー2から照射されたプローブパルス光およびテラヘルツ・パルスはテラヘルツ検出素子を通過することにより、テラヘルツ・パルスの信号波形が測定される。 The femtosecond laser 1 is used as pump light, and the femtosecond laser 2 is used as probe pulse light. The pump light emitted from the femtosecond laser 1 passes through the terahertz generating element and becomes a terahertz pulse. Further, the probe pulse light and the terahertz pulse emitted from the femtosecond laser 2 pass through the terahertz detection element, whereby the signal waveform of the terahertz pulse is measured.
本発明のテラヘルツ分光計測装置では、測定時間窓を広げて、複数の連続したテラヘルツ・パルスから構成されるテラヘルツ・パルス列の電場時間波形を高速デジタイザ等で取得する。取得した電場時間波形をフーリエ変換することにより、テラヘルツ・コムのスペクトル波形を得る。測定した電場時間波形の測定時間窓が大きいほど、テラヘルツ・コムのモード線幅が狭くシャープなものになる。取得したテラヘルツ・コム・スペクトルはメモリに記憶される。
また、本発明のテラヘルツ分光計測装置では、図11,図12、図13に示したレーザー制御手法を用いることによって、フェムト秒レーザー1とフェムト秒レーザー2のモード同期周波数の差を一定に保ったまま、各々のモード同期周波数をシフトできるモード同期周波数チューニング制御を行う。
モード同期周波数チューニング制御によって、テラヘルツ・コムの各コム・モードを横ずらししたスペクトルを取得することができ、同様にメモリに記憶される。そして、複数個取得したテラヘルツ・コムを合成して、テラヘルツ・コムの間隙がコム・モード線幅間隔で補間された超微細テラヘルツ・スペクトルを生成する。
In the terahertz spectrometer of the present invention, the measurement time window is widened, and the electric field time waveform of the terahertz pulse train composed of a plurality of continuous terahertz pulses is acquired by a high-speed digitizer or the like. The acquired electric field time waveform is Fourier transformed to obtain a terahertz comb spectrum waveform. The larger the measurement time window of the measured electric field time waveform, the narrower and sharper the mode line width of the terahertz comb. The acquired terahertz comb spectrum is stored in the memory.
Further, in the terahertz spectrometer of the present invention, the difference between the mode synchronization frequencies of the femtosecond laser 1 and the femtosecond laser 2 is kept constant by using the laser control method shown in FIGS. 11, 12, and 13. The mode synchronization frequency tuning control that can shift each mode synchronization frequency is performed.
With the mode-synchronized frequency tuning control, a spectrum obtained by laterally shifting each comb mode of the terahertz comb can be acquired and similarly stored in the memory. Then, a plurality of acquired terahertz combs are combined to generate an ultrafine terahertz spectrum in which the gaps of the terahertz combs are interpolated at the comb mode line width interval.
図14は、実施例1のテラヘルツ分光計測装置の全体ブロック図を示している。
実施例1のテラヘルツ分光計測装置では、フェムト秒レーザー1(モード同期エルビウム・ファイバーレーザー、中心波長1550nm、モード同期周波数(f1)56.124MHz、パルス幅50fs)とフェムト秒レーザー2(モード同期エルビウム・ファイバーレーザー、中心波長1550nm、モード同期周波数(f2)56.124MHz+2Hz、パルス幅50fs)を用いている。
フェムト秒レーザー1とフェムト秒レーザー2のモード同期周波数はほぼ同じである。テラヘルツ・パルス(ポンプ光)発生用にフェムト秒レーザー1、テラヘルツ・パルス検出用プローブパルス光にフェムト秒レーザー2をそれぞれ用いた。そして、両レーザーのモード同期周波数およびモード同期周波数の差が一定値となるように安定化制御を行った。さらに、両レーザーのモード同期周波数の差(=2Hz)が一定値となるように安定化制御を行いながらフェムト秒レーザー1のモード同期周波数(f1)およびフェムト秒レーザー2のモード同期周波数(f2)を同期させながらチューニング制御した。
FIG. 14 is an overall block diagram of the terahertz spectrometer according to the first embodiment.
In the terahertz spectrometer of Example 1, the femtosecond laser 1 (mode-locked erbium fiber laser, center wavelength 1550 nm, mode-locked frequency (f 1 ) 56.124 MHz, pulse width 50 fs) and femtosecond laser 2 (mode-locked erbium) A fiber laser, a center wavelength of 1550 nm, a mode synchronization frequency (f 2 ) of 56.124 MHz + 2 Hz, and a pulse width of 50 fs) are used.
The mode locking frequencies of the femtosecond laser 1 and the femtosecond laser 2 are almost the same. A femtosecond laser 1 was used to generate terahertz pulses (pump light), and a femtosecond laser 2 was used as probe pulse light for detecting terahertz pulses. Then, stabilization control was performed such that the difference between the mode synchronization frequency and the mode synchronization frequency of both lasers became a constant value. Furthermore, the mode locking frequency (f 1 ) of the femtosecond laser 1 and the mode locking frequency (f of the femtosecond laser 2 are controlled while performing stabilization control so that the difference between the mode locking frequencies of the two lasers (= 2 Hz) becomes a constant value. Tuning control was performed while synchronizing 2 ).
両レーザーのモード同期周波数差の安定化制御は、具体的には、図14に示すように、光検出器で検出された2つのレーザー光を、発振器(電圧制御発振器、周波数シンセサイザーなど)を用いてヘテロダイン検波することにより、モード同期周波数の高次高調波成分信号がRF周波数帯のビート信号にそれぞれビートダウンされる。フェムト秒レーザー1のビート信号を用いて、モード同期周波数(f1)の安定化/チューニング制御を行う。一方、フェムト秒レーザー2のビート信号を用いて、モード同期周波数(f2)の安定化/チューニング制御を行う。すなわち、モード同期周波数やモード同期周波数差の変動を高次高調波の次数だけ拡大させ、これを制御信号として用いることにより、安定化制御の高精度化を実現している。 Specifically, the stabilization control of the mode-locked frequency difference between the two lasers uses two oscillators detected by a photodetector, such as an oscillator (voltage controlled oscillator, frequency synthesizer, etc.), as shown in FIG. By performing heterodyne detection, the higher-order harmonic component signal of the mode synchronization frequency is beat-down to the beat signal in the RF frequency band. Using the beat signal of the femtosecond laser 1, stabilization / tuning control of the mode synchronization frequency (f 1 ) is performed. On the other hand, using the beat signal of the femtosecond laser 2, stabilization / tuning control of the mode synchronization frequency (f 2 ) is performed. That is, the fluctuation of the mode synchronization frequency and the mode synchronization frequency difference is expanded by the order of the higher order harmonics, and this is used as a control signal, thereby realizing high accuracy of the stabilization control.
図14のモード同期周波数走査型非同期光サンプリング光源制御部において、基準信号発生器から供給される信号を参照信号として、制御信号(高次高調波の差周波信号)がある値(例えば、10MHz)で一定となるように、フェムト秒レーザー1の共振器長可変素子(ピエゾ素子やステージなど)によってレーザー共振器長制御を行い、モード同期周波数(f1)がある値で一定となるように安定化させている。また、フェムト秒レーザー2でも同様な手法を用いて共振器長制御を行い、モード同期周波数(f2)とモード同期周波数差がある値で一定となるように安定化させている。 In the mode-synchronized frequency scanning type asynchronous optical sampling light source control unit of FIG. 14, a value (for example, 10 MHz) having a control signal (difference frequency signal of higher harmonics) with a signal supplied from the reference signal generator as a reference signal. in to be constant, performs laser resonator length controlled by the resonator length variable element of femtosecond laser 1 (such as a piezoelectric element or stage), mode locking frequency (f 1) stable to be constant at a certain value It has become. Further, the femtosecond laser 2 is also controlled so that the resonator length is controlled using the same method, and is stabilized so that the difference between the mode synchronization frequency (f 2 ) and the mode synchronization frequency is constant at a certain value.
安定化制御された両レーザー光の一部は、SFG(和周波発生光)相互相関測定部で、時間原点信号となるトリガー信号を発生させる。SFG相互相関測定部は、両レーザー光からレンズを用いて非線形光学結晶に集光し、両レーザー光のSFG相互相関信号光を光検出器で光電検出し、その微弱電流信号を電流−電圧変換アンプで増幅した後に、高速デジタイザの時間原点信号として利用している。 A part of both of the laser beams subjected to stabilization control is a SFG (sum frequency generation light) cross-correlation measuring unit, which generates a trigger signal serving as a time origin signal. The SFG cross-correlation measurement unit condenses the two laser beams onto a nonlinear optical crystal using a lens, photoelectrically detects the SFG cross-correlation signal beams of both laser beams with a photodetector, and converts the weak current signal into current-voltage conversion. After being amplified by the amplifier, it is used as the time origin signal of the high-speed digitizer.
図14に示すように、両レーザー光の残りはテラヘルツ分光測定部に導かれ、フェムト秒レーザー1がテラヘルツ発生用ポンプ光、フェムト秒レーザー2がテラヘルツ検出用プローブ光に用いられる。テラヘルツ発生及び検出にはダイポール型光伝導アンテナを用いた。
ここで、フェムト秒光サンプリング光源で生成したテラヘルツ・パルスとプローブパルス光のモード同期周波数はわずかに異なるため、機械式時間遅延走査無しでテラヘルツ・パルス列の電場時間波形を高速サンプリング測定することが可能となる。
As shown in FIG. 14, the remainder of both laser beams is guided to a terahertz spectrometer, and the femtosecond laser 1 is used as terahertz generating pump light and the femtosecond laser 2 is used as terahertz detection probe light. A dipole photoconductive antenna was used to generate and detect terahertz.
Here, because the mode-locked frequency of the terahertz pulse generated by the femtosecond optical sampling light source and the probe pulse light is slightly different, the electric field time waveform of the terahertz pulse train can be measured at high speed without mechanical time delay scanning. It becomes.
テラヘルツ検出用光伝導アンテナで高速サンプリングされた電流信号は、電流−電圧変換アンプで増幅された後、SFG相互相関測定部で生成された時間遅延信号を同期信号として、高速デジタイザで測定される。テラヘルツ・パルス列の電場時間波形をフーリエ変換して、テラヘルツ・コム・スペクトル波形を取得する。モード同期周波数を変化させながらコム・モードの走査を行い、各コム・モード位置でのテラヘルツ・コムを重ねて表示することにより、テラヘルツ・コムの間隙を補間する。 The current signal sampled at high speed by the photoconductive antenna for terahertz detection is amplified by a current-voltage conversion amplifier, and then measured by a high-speed digitizer using the time delay signal generated by the SFG cross-correlation measuring unit as a synchronization signal. The electric field time waveform of the terahertz pulse train is Fourier transformed to obtain a terahertz comb spectrum waveform. The comb mode is scanned while changing the mode synchronization frequency, and the terahertz comb at each comb mode position is displayed in an overlapping manner to interpolate the gap of the terahertz comb.
図15は、実際に取得された10連のテラヘルツ・パルス列の電場時間波形を示している。このような測定時間窓の電場時間波形を従来の機械ステージ式THz−TDSで取得しようとすると、27メートル長の機械式ステージが必要となり、現実的に実現不可能である。図15の電場時間波形をフーリエ変換して取得した振幅スペクトルを図16に示す。図16の振幅スペクトル内部が塗り潰されているのは、この中に1万本以上のテラヘルツ・コム・モードが密集しているからである。 FIG. 15 shows an electric field time waveform of ten series of terahertz pulse trains actually acquired. If an electric field time waveform of such a measurement time window is to be obtained by a conventional mechanical stage type THz-TDS, a mechanical stage having a length of 27 meters is required, which is practically impossible. FIG. 16 shows an amplitude spectrum obtained by Fourier transforming the electric field time waveform of FIG. The reason why the inside of the amplitude spectrum of FIG. 16 is filled is that 10,000 or more terahertz comb modes are densely packed therein.
図17は、0.5THz付近を周波数的に拡大したものである。図17から、モード同期周波数(56.1MHz)で等間隔に並んだコム・モード(線幅5.6MHz)が確認できる。図17では、テラヘルツ・コムの各モードが離散的に分布しているため、テラヘルツ・コムをテラヘルツ分光計測に使った場合のスペクトル分解能はコム間隔であるモード同期周波数となるが、コム・モードの線幅はコム間隔よりも更に狭い。もし、コム・モードを高精度に少しずつ横ずらししながらテラヘルツ・コムの間隙を補間することができれば、コム・モードの線幅に等しい超微細テラヘルツ・スペクトルを得ることができる。実際に、レーザー制御によって、コム・モードを横ずらしした結果を図18に示す。図18では、モード同期周波数を0.002%(=1122.5Hz)だけ周波数シフトさせた場合の結果を示しているが、モード同期周波数の周波数シフトは1%程度まで可能であるので、テラヘルツ・コムの間隙を完全に補間することは容易である。このようにして、コム・モードの線幅に等しいスペクトル分解能を有しながらブロードバンドなテラヘルツ領域をフルカバー可能な超高分解テラヘルツ分光法が実現される。 FIG. 17 is an enlarged view of the vicinity of 0.5 THz. From FIG. 17, it is possible to confirm the comb mode (line width 5.6 MHz) arranged at equal intervals at the mode synchronization frequency (56.1 MHz). In FIG. 17, since each mode of the terahertz comb is distributed discretely, the spectrum resolution when the terahertz comb is used for the terahertz spectroscopic measurement is a mode synchronization frequency that is a comb interval. The line width is even narrower than the comb spacing. If the terahertz comb gap can be interpolated while slightly shifting the comb mode little by little with high accuracy, an ultrafine terahertz spectrum equal to the line width of the comb mode can be obtained. The result of actually shifting the comb mode by laser control is shown in FIG. FIG. 18 shows the result when the mode synchronization frequency is shifted by 0.002% (= 1122.5 Hz). However, since the frequency shift of the mode synchronization frequency is possible up to about 1%, It is easy to fully interpolate the comb gap. In this way, an ultra-high resolution terahertz spectroscopy capable of fully covering a broadband terahertz region while having a spectral resolution equal to the line width of the comb mode is realized.
本発明のテラヘルツ分光計測装置は、テラヘルツ指紋スペクトルを示す各種物質の定性・定量分析に利用できる。また、大気中の様々な気体分子や揮発性有機化合物などの大気環境分析器としても利用可能である。さらに、周波数標準計量装置やテラヘルツトモグラフィーとして利用できる可能性もある。
The terahertz spectrometer of the present invention can be used for qualitative and quantitative analysis of various substances exhibiting a terahertz fingerprint spectrum. It can also be used as an atmospheric environment analyzer for various gas molecules and volatile organic compounds in the atmosphere. Furthermore, it may be used as a frequency standard measuring device or terahertz tomography.
Claims (9)
a)前記信号波形測定手段が、単一のテラヘルツ電磁波パルスではなく、複数の連続したテラヘルツ電磁波パルスの電場時間波形を取得し、その電場時間波形を周波数領域にフーリエ変換することにより、モード同期周波数の基本波成分と多数の高調波成分からなる周波数モード列が等間隔に並ぶテラヘルツ離散マルチスペクトルを取得するスペクトル取得手段と、
b)前記2台のフェムト秒レーザー手段の各々のモード同期周波数を、モード同期周波数の差が所定の一定値を保持したままシフトさせるモード同期周波数チューニング制御手段と、
c)前記モード同期周波数チューニング制御手段により周波数モード列の間隙を補完するようにテラヘルツ離散マルチスペクトルを多段階に周波数シフトさせた場合の各々のテラヘルツ離散マルチスペクトルを記憶する記憶手段と、
d)前記記憶手段に記憶されている各テラヘルツ離散マルチスペクトルを合成し超微細テラヘルツ・スペクトルを生成する手段と、
を備えたことを特徴とするテラヘルツ分光計測装置。 The two femtosecond laser means having slightly different repetition frequencies (mode synchronization frequencies) of the laser pulse and the two femtosecond laser means are stabilized in the mode synchronization frequency, and the difference between the mode synchronization frequencies is predetermined. Using mode-locked frequency control means for controlling two femtosecond laser means so as to maintain a constant value of the above, and using the output light of one femtosecond laser as excitation light, using a photoconductive antenna or a nonlinear optical crystal, Terahertz wave radiating means for emitting terahertz electromagnetic wave pulses, and a terahertz wave optical system for irradiating a terahertz electromagnetic wave pulse emitted from the terahertz wave radiating means to a measurement sample and leading the terahertz electromagnetic wave pulse affected by the measurement sample And the output light of the other femtosecond laser as the probe pulse light. Terahertz wave detecting means for detecting the electric field time waveform of the terahertz electromagnetic wave pulse by using a photoconductive antenna or an electro-optic sampling method, and an output of the two femtosecond laser means. Extracts a part of the light and amplifies the trigger signal generator that generates the time origin signal and the weak electrical signal output from the terahertz wave detector, and detects the signal waveform of the terahertz electromagnetic wave pulse in synchronization with the time origin signal A terahertz spectroscopic measurement device comprising: a signal waveform measuring means for measuring a signal waveform by
a) The signal waveform measuring means obtains an electric field time waveform of a plurality of continuous terahertz electromagnetic wave pulses instead of a single terahertz electromagnetic wave pulse, and Fourier transforms the electric field time waveform into the frequency domain, thereby obtaining a mode-locked frequency A spectrum acquisition means for acquiring a terahertz discrete multispectrum in which frequency mode sequences consisting of fundamental wave components and multiple harmonic components are arranged at equal intervals;
b) mode-synchronized frequency tuning control means for shifting the mode-synchronized frequency of each of the two femtosecond laser means while maintaining a predetermined constant value of the mode-synchronized frequency difference;
c) storage means for storing each terahertz discrete multispectrum when the terahertz discrete multispectrum is frequency-shifted in multiple stages so as to complement the gap of the frequency mode sequence by the mode-synchronized frequency tuning control means;
d) means for synthesizing each terahertz discrete multispectrum stored in the storage means to generate an ultrafine terahertz spectrum;
A terahertz spectroscopic measurement device characterized by comprising:
(e)前記信号波形測定手段から出力される時間波形信号の時間軸スケール変換を行い、それをフーリエ変換することによって得られるフーリエスペクトル(振幅と位相の周波数スペクトル)から前記測定用試料の周波数分析情報を求める信号解析手段を更に備えたことを特徴とするテラヘルツ分光計測装置。 In the terahertz spectrometer according to any one of claims 1 to 4,
(E) Frequency analysis of the measurement sample from a Fourier spectrum (amplitude and phase frequency spectrum) obtained by performing time-axis scale conversion of the time waveform signal output from the signal waveform measurement means and Fourier-transforming it. A terahertz spectroscopic measurement apparatus, further comprising signal analysis means for obtaining information.
The terahertz spectrometer according to claim 8, wherein the mode-locked frequency is monitored by a frequency counter.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106769998A (en) * | 2017-01-18 | 2017-05-31 | 上海朗研光电科技有限公司 | Based on the tera-hertz spectra real-time analysis method for actively modulating pulse non-linear amplification |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8873043B2 (en) | 2011-03-18 | 2014-10-28 | University Of Virginia Patent Foundation | Segmented chirped-pulse fourier transform spectroscopy |
| US9250128B2 (en) | 2012-03-02 | 2016-02-02 | Beihang University | Method and apparatus for optical asynchronous sampling signal measurements |
| US9335261B2 (en) | 2012-03-30 | 2016-05-10 | Hitachi, Ltd. | Time-domain spectroscopy and time-domain spectroscopic analysis system |
| JP6032574B2 (en) * | 2012-08-26 | 2016-11-30 | 国立大学法人大阪大学 | Fourier transform spectroscopy, spectroscopic device and spectroscopic measurement program for improving spectral resolution and spectral accuracy |
| JP6473144B2 (en) * | 2013-06-14 | 2019-02-20 | ユニバーシティ オブ バージニア パテント ファウンデーション | Apparatus and techniques for Fourier transform millimeter wave spectroscopy. |
| ES2712200T3 (en) * | 2014-12-23 | 2019-05-09 | Max Planck Gesellschaft | Method for measuring a spectral sample response |
| CA3032399C (en) | 2016-07-29 | 2023-09-19 | Novatrans Group S.A. | System and method for in ovo sexing of avian embryos |
| US12082561B2 (en) | 2017-07-23 | 2024-09-10 | Terahertz Group Ltd. | System and method for non-invasively determining egg properties |
| EP3658893B1 (en) * | 2017-07-23 | 2023-05-10 | Terahertz Group Ltd. | A system and method for non-invasively determining egg properties |
| CN109244798A (en) * | 2018-09-29 | 2019-01-18 | 北京无线电计量测试研究所 | A terahertz frequency comb generating device and method |
| CN113252576B (en) * | 2020-02-11 | 2024-12-06 | 中国石油化工股份有限公司 | A system device and method for spectral collaborative detection of liquid phase substances |
| CN111896787A (en) * | 2020-06-05 | 2020-11-06 | 北京无线电计量测试研究所 | Measuring system and measuring method for radiation waveform of terahertz pulse radiator |
| CN112462536B (en) * | 2021-01-20 | 2022-01-14 | 电子科技大学 | Terahertz wave phase adjustment and control method based on organic solvent |
| JP7748717B2 (en) * | 2021-11-26 | 2025-10-03 | 国立大学法人徳島大学 | Fiber Sensing Device |
| CN116519626B (en) * | 2023-06-25 | 2023-09-19 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | Signal detection circuit and system for terahertz spectrum and imaging measurement system |
| CN119198022B (en) * | 2024-11-22 | 2025-04-25 | 济南晶众光电科技有限公司 | A femtosecond laser mode-locking state detection method and system |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN106769998A (en) * | 2017-01-18 | 2017-05-31 | 上海朗研光电科技有限公司 | Based on the tera-hertz spectra real-time analysis method for actively modulating pulse non-linear amplification |
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